下面文章主要介紹了本課題組在光纖微流激光傳感器和無源光纖微流傳感器兩方面的研究進展。光纖微流激光傳感器利用光纖微流激光的輸出變化來探測生化參數的改變。光纖截面作為環形微腔形成光反饋，增強了腔內光子和待測物質的相互作用，從而提高了微流激光的傳感靈敏度。文章中強調了基于光力/光熱效應的無源光纖微流傳感器。該類傳感器利用光產生的力學或熱學效應對微流體進行溫度、流速、濃度傳感，具有靈活性高、集成度好、多功能、可重構等特點。

　　關鍵詞：光纖微流傳感,光纖微流激光,光纖傳感,光力效應,光熱效應

　　1引言

　　光微流(Optofluidics)將光子技術與微流結合，可形成多功能、集成化的微系統。微流具有固體材料無法比擬的獨特特性：1)在兩種不相容的液體界面具有天然的光滑特性;2)可通過擴散實現漸變折射率分布;3)可以方便地流動和控制;4)可通過液體混合實現密度調節或摻雜。光子技術可用于檢測、操控微流及其中的微納樣品，進而實現光微流傳感技術[1-2]。光纖集成了導光和微流通道功能，正受到研究者的廣泛關注，形成了新型光纖微流傳感技術。

　　在光纖操控及其傳感方面，李寶軍課題組[3]利用亞波長量級的微光纖在液體中實現了膠狀微球的分選;苑立波課題組[4]利用光纖實現光阱，可捕獲微球，進一步實現了溫度傳感;Bykov等人[2]在空心光子晶體光纖中捕獲微球，并利用透射光信號和多普勒測速法分別實現了具有高空間分辨率的電場和溫度傳感。在光纖微流激光方面，Wang[5]、Liu[6]等人采用光纖制成的回音壁(whispergallerymode,WGM)微腔實現了光纖微流激光輸出;Zhang[7]等人采用具有光子帶隙(photonicband-gap,PBG)的光纖作為反饋腔，實現了徑向的微流激光輸出。

　　王璞團隊[8]采用空心無節抗諧振光纖(hollow-corenodelessanti-resonantfiber,HARF)測量了樣品的拉曼光譜。Gu等人[9]通過調節空間泵浦實現了光纖上聚合物微瓶諧振腔的單模WGM激光。Gerosa等人[10]實現了全光纖高重頻輸出的光纖微流激光。圍繞光纖在微流傳感中的優勢，本文分別介紹光纖微流激光傳感器和無源光纖微流傳感器。其中，光纖微流激光器用光纖作為微諧振腔實現激光輸出。利用光纖結構多樣性可以實現不同類型的光微流激光器。由于光纖的尺寸重復性好，這種光纖的微流激光器有望實現低成本、一次性傳感。而無源光纖微流傳感器以光纖將激光導入微流體，利用光照射液體產生的物理效應實現傳感。

　　2光纖微流激光傳感器

　　2.1光微流激光傳感技術

　　光微流激光器[11-13]包括了傳統激光器三要素：諧振腔、增益介質、泵浦源。在泵浦光作用下，增益介質被激活實現粒子數反轉。增益介質產生的光子在諧振腔作用下反饋回增益介質，得到進一步放大。在滿足激光閾值條件后實現激光輸出。諧振腔的反饋增強了光子和內部增益介質的相互作用[13]，這使得光微流激光對激光腔內部生化分子的狀態非常敏感。

　　因此，光微流激光很適合用于實現高靈敏度的微流傳感器。我們提出了將酶促反應與光微流激光器結合，實現了酶催化的光微流激光器并實現了高性能的離子傳感[14]。兩塊寬帶高反鏡平行放置構成法珀腔(Fabry–Pérotcavity,FP)，位于兩塊高反鏡中間的方形毛細管充當微流通道實現液體流入流出。利用免疫檢測中廣泛使用的辣根過氧化物酶，將無色底物催化為熒光產物。在泵浦光作用下，該熒光產物可作為激光增益介質。隨著酶促反應的進行，熒光產物的含量逐漸升高，當產物濃度滿足激光閾值條件可實現激光輸出。當反應體系中有酶抑制劑如S2-存在時，酶的活性降低，熒光產物濃度增加速率放緩，使得激光出射時間延長。

　　激光出射時間和反應體系中S2-濃度相關。因此，通過測量激光出射時間，可實現S2-濃度傳感。最終，該方法實現了高性能S2-傳感，探測極限為10nM，動態范圍為3個量級。另外，結合新型發光材料，可實現具有新的傳感特性的光微流激光[15]。

　　2.2新型光纖微流激光器及傳感技術

　　一次性傳感器具有本質安全、成本低、重復性高等優點，在生化檢測中具有廣泛應用[16]。光微流激光具有高靈敏度，但之前的光微流激光器無法滿足一次性的檢測需求。實現一次性的光微流激光器的關鍵在于解決如何高重復、低成本、大批量地制作微腔。光纖由于在其拉制過程中，尺寸得到了很精確的控制，在作為激光諧振腔時，具有很好的重復性。以康寧公司SMF-28e為例，其每千米的尺寸波動率大約為0.56%。同時，光纖也可以低成本、大批量地制作。

　　普通商用光纖每米的成本約為0.01美元，超低成本是大規模應用的基礎之一。微結構光纖穿過兩根玻璃毛細管，其空間位置被玻璃毛細管限制。光纖外壁的WGM可通過倏逝場和內部增益介質相互作用。實驗證實，不同光纖之間的激光輸出強度波動約為6.5%，足以滿足生化傳感的應用。高通量檢測是生化傳感中的又一重要需求[18]。

　　光纖通過集成陣列的方式有望實現高通量的傳感。微結構光纖通過V型槽平行排布，調節各個通道光纖使其取向一致，可以克服光纖微結構空間不對稱性引起的激光方向性。532nm的脈沖泵浦光經過球面透鏡匯聚于光纖陣列，光纖陣列的位置可通過電動位移臺在x方向精細調節，從而實現泵浦光對各通道的掃描，各通道發射的激光被光纖收集并送入光譜儀，實現了通道間的強度的高重復性[17]。

　　此外，利用單縱模光纖微流激光實現波分復用也是解決高通量檢測的有效途徑，我們利用微結構光纖的濾波效應，實現了單縱模的光纖微流激光輸出[19]，信噪比達21dB，單縱模線寬53pm。在20nm波長范圍內，該方式理論上可以實現近400個通道的復用。另外，Chen等人[20]通過化學交聯的方式在光纖外壁制作了一層單分子增益薄膜，利用光纖外壁的WGM提供光反饋證實了單分子層增益介質也能實現激光輸出，使得超低樣品用量的光微流激光器成為可能。Lee等人[21]將單分子層激光應用于DNA檢測，具有低熒光背景、超低樣品用量的特點。

　　3無源光纖微流傳感器

　　光纖因其優良的波導特性和小巧體積，可伸入微流通道內部;利用光物理效應，如光力效應[22-26]和光熱效應[27-31]，可以在微流通道內部實現對液體及其溶質的高性能傳感。光纖微流傳感器具有靈活性高、集成度好、多功能、可重構等特點。

　　3.1基于光力效應的光纖微流傳感器

　　結合微流系統提供的流體力，基于光力效應的光纖微流系統實現了可調操控[24-26]和傳感[27-28]。這種光纖微流技術的工作原理。激光沿光纖傳輸，從光纖端面出射并照射在微粒上，由于輻射壓和光子動量傳遞，對微粒產生光力效應。垂直光纖的平面上，光力分量表示為梯度力(Ftg)，方向指向光場密度最大處，大小從光軸向外逐漸減小，起到將微粒限制在光軸上的作用。

　　平行于光纖的平面上，光力的分量表示為散射力(Fao)，方向沿光傳輸方向，大小沿光傳輸方向逐漸減小，起到將微粒推離光纖端面的作用。微流系統在與光傳輸方向相反的方向提供一個流體力(Fv)，與光散射力Fao平衡，實現對微粒的捕獲。通過調節流速(v)的大小改變Fv，可改變Fao與Fv的平衡位置，進而改變微粒的捕獲位置，實現對微粒可調操控。基于上述原理，我們利用平端面單模光纖，實現了測量范圍在20nL/min∼22μL/min的流速傳感[26]。同時，該裝置還可實現最大操控距離為715μm的可調光操控。

　　上述基于微粒操控位置探測的光纖流速傳感器，其傳感性能受到操控距離的限制：對于高流速探測，由于微粒被操控到距離光纖很近的位置，傳感靈敏度降低，使其達到探測極限。針對這一問題，我們提出了一種雙模式的光纖微流傳感系統[28]。

　　該系統在開環模式下，與上述系統原理相同，利用微粒的操控距離來標定流速，結構簡單，在閉環模式下，當流速變化時，通過主動調節激光器輸出功率，使得光力大小發生改變并與流體力平衡，利用反饋控制將微粒固定在原來的位置。因此，激光器的輸出功率與流速具有線性關系。該流速傳感器兩種模式可自由切換，實現了從10nL/min∼100000nL/min的大動態范圍流速傳感。

　　3.2基于光熱效應的光纖微流傳感器

　　基于光熱效應，可實現光纖微流速傳感器[29-30]。當光照射到液體中，由于光熱效應，光能轉化為液體的熱能，使局部液體溫度升高，造成液體蒸發或溶解氣體逸出，可產生氣泡。為有效降低產生氣泡的激光功率閾值，形成規則的、可探測的氣泡，我們通過在光纖表面沉積碳納米管薄膜的方式，實現了基于光熱效應的光纖微氣泡傳感器[30]。當980nm連續光照射到碳納米管薄膜上時，由于碳納米管特殊的熱學性質，可使光纖端面在較低的功率下產生規則的氣泡。氣泡前后反射面形成法珀腔。氣泡直徑隨激光照射時間變化情況。通過檢測氣泡的生長速率，該裝置可對液體環境(如溫度、流速)改變的探測。通過探測微氣泡法珀腔的干涉光譜，該裝置實現了25℃∼45℃的溫度傳感，以及0∼150nL/min的低流速傳感[30]。

　　由于碳納米管薄膜通過光力沉積，多次使用后會引起薄膜脫落，使傳感器性能下降，降低使用壽命。通過在光纖端面離子濺射納米金膜，制備結構更加穩定、重復性好的光纖微氣泡微流傳感器[29]。該裝置采用圖像法進行探測，方法更簡單，成本更低。研究人員利用該裝置實現了質量比在0.5%∼50%范圍內的蔗糖濃度傳感(圖6(a))以及10μM∼1M的大動態范圍雙氧水濃度傳感(圖6(b))[31]。

　　4結論

　　本文綜述了近期光纖微流傳感技術的研究進展。光纖微流激光是一種新型普適性的高靈敏生化傳感平臺技術，可廣泛用于體溶液或表面傳感，所需樣本體積超低、靈敏度比傳統熒光方法有數量級的提升，近期發展非常迅速，并逐漸用于免疫診斷、DNA檢測等。基于光力的光纖微流傳感技術，利用皮牛量級的微小光力，可實現高靈敏微流速傳感;基于光熱效應，可利用光熱傳導、微氣泡產生作為傳感原理，實現溫度、流速、濃度等參數傳感。與微流體結合，擴展了光纖傳感的外延，有望發展出新型光纖生化傳感手段。

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